la nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

101
nanoGUNE 30 enero 2014 La ciencia (la nanociencia) y las tecnologías energéticas del futuro Félix Yndurain Departamento de Física de la Materia Condensada Universidad Autónoma de Madrid (e-mail: [email protected])

Upload: cic-nanogune

Post on 06-Jul-2015

578 views

Category:

Technology


0 download

DESCRIPTION

¿Cómo vamos a satisfacer la futura demanda energética? ¿Qué papel desempeña la nanociencia? Éstas son algunas de las cuestiones de las que trata el catedrático Félix Ynduráin en esta intervención. Después de realizar un análisis de la evolución del consumo de energía a nivel mundial, así como de las perspectivas de su evolución futura, Ynduráin se centra en las necesidades de nuevos desarrollos para satisfacer la demanda energética del futuro. En particular, discute algunos ejemplos concretos sobre el papel de la nanociencia en la energía nuclear y fotovoltaica, el uso del hidrógeno, el almacenamiento de energía y de CO2, el transporte eléctrico, etc. Puedes ver la grabación de la presentación en nuestra página web: 5urte.nanogune.eu

TRANSCRIPT

Page 1: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

La ciencia (la nanociencia) y las tecnologías energéticas del futuro

Félix Yndurain Departamento de Física de la Materia Condensada

Universidad Autónoma de Madrid (e-mail: [email protected])

Page 2: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

INDICE

•  Introducción: Consumo de energía. El medio ambiente •  La investigación Básica en el DOE: 5 “grandes retos” científicos •  Necesidades y ejemplos de investigación básica en:   Energía nuclear   Fotovoltaica   Iluminación   Hidrógeno   Eficiencia   Almacenamiento   “Nuevos” combustibles fósiles •  Conclusiones

IUPAP Energy Report (2003). http://www.iupap.org/

US Department of Energy. http://www.energy.gov/

Page 3: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

CONSUMO DE ENERGEIA

Page 4: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

Consumo mundial de Energía

Page 5: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

Consumo mundial de Energía

Fuente: BP Statistical Review of World Energy June 2013

Page 6: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

Lo arriesgado de hacer predicciones: El pico de Hubbert (1956)

Page 7: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

Reservas probadas de petróleo en 1992, 2002 y 2012

Fuente: BP Statistical Review of World Energy June 2013

Page 8: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

Reservas probadas de gas en 1992, 2002 y 2012

Fuente: BP Statistical Review of World Energy June 2013

Page 9: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

Consumo de energía primaria en algunos países en el año 2012 (Mtoe) Petróleo Gas natural Carbón Nuclear Hidráulica Renovable Per

capita (toe)

PIB(k$) per

capita USA 819,9 722,1 437,8 183,2 86,0 50,7 8,07 43,68

China 483,7 143,8 1873,3 22,0 194,8 31,9 0,78 7,78 Japón 218,2 116,7 124,4 4,1* 18,3 8,2 3,99 33,07 España 63,8 31,4 19,3 13,9 4,6 14,9 3,27 25,47 Alemania 111,5 75,2 79.2 22,5 4,8 26,0 3,99 31,93 Francia 80,9 42,5 11,4 96,3 13,2 5,4 4,36 31,16 Reino Unido 68,5 78,3 39,1 15,9 1,2 8,4 3,69 31,94 Brasil 125,6 29,2 13,5 3,6 94,5 11,2 1,03 8,77

Fuente: BP Statistical Review of World Energy June 2013

Page 10: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

Fuente: http://www.nationmaster.com y United Nations Development Programme y elaboración propia

Consumo de energía por habitante frente producto interior bruto para diversos países

Page 11: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

Consumo de energía por habitante frente a “índice de desarrollo humano”

Fuente: http://www.nationmaster.com y United Nations Development Programme y elaboración propia

Page 12: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

El ejemplo de California Consumo de electricidad y PIB en Estados Unidos y California

Page 13: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

Modern CO2 Concentrations are Increasing The current concentration is the highest in 800,000 years, as determined by ice core data

Concentration prior to 1800 was ~280 ppm

Concentration now ~388 ppm

Atmospheric CO2 at Mauna Loa Observatory

Page 14: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

I. Velicogna, GEOPHYSICAL RESEARCH LETTERS, VOL. 36, L19503, 2009

Increasing rates of ice mass loss from the Greenland and Antarctic ice sheets revealed by GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) satellite:

  In Greenland, the mass loss increased from 137 Gt/yr in 2002–2003 to 286 Gt/yr in 2007–2009

  In Antarctica, the mass loss increased from 104 Gt/yr in 2002–2006 to 246 Gt/yr in 2006–2009

Greenland Ice Mass Loss – 2002 to 2009

Page 15: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

Efectos de las actividades humanas en el Medio Ambiente

población emisiones

CO2 DT

Page 16: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

Problemas relacionados con la energía:

Distribución geográfica no uniforme de los

recursos fósiles (finitos)

Deterioro del medio ambiente

Page 17: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

Necesidad de Nuevas Tecnologías

Page 18: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

Máquina de vapor: J. Watt (1769)

Motor eléctrico: W. Siemens (1866)

Plantas de carbón para producir electricidad: H. Stinnes (1898)

Motor de explosión: C. & B. Benz (1888) {H. Ford (1903)}

Pila de combustible: W. R. Grove (1843) Lámpara incandescente: T. Edison (1879)

Batería eléctrica: A. Volta (1798)

Efecto fotovoltaico: Becquerel (1839)

Turbinas para aviación: 1930-40

Nuclear: 1940 aprox.

Molino de viento ?

Las Tecnologías Energéticas no son Nuevas: están en evolución gracias al I+D

Page 19: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

Maduración y Penetración Tecnológica

Investigación en Energía: de la Investigación Básica a la Tecnología

Investigación Aplicada

•  Investigación básica para generar conocimiento sobre materiales y sistemas aunque puedan parecer solo marginalmente relacionados con los problemas actuales de las tecnologías energéticas.

•  Investigación con el objetivo de cumplir hitos tecnológicos y ensayos con énfasis en el desarrollo , rendimiento, reducción de coste, durabilidad de materiales y componentes y en procesos eficientes

•  Investigación de escala • Plantas de

demostración • Reducción de costes • Prototipos • Soporte a la

comercialización

Investigación Básica

Evidentemente no es tan simple…

Page 20: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

La investigación promovida por el

Deparment of Energy (DOE) en

Estados Unidos

Page 21: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

  Increase energy efficiency

  Increase use of renewables

  Adaptation of Carbon Capture and Sequestration

  Increase nuclear power

  Improve climate prediction

Energy Imperatives (DOE)

Page 22: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

Benefits of BES (Basic Energy Sciences )

“The Department of Energy BES program also plays a major role in enabling the nanoscale revolution. The

importance of nanoscience to future energy technologies is clearly reflected by the fact that all of

the elementary steps of energy conversion (e.g., charge transfer, molecular rearrangement, and

chemical reactions) take place on the nanoscale. The development of new nanoscale materials, as well as

the methods to characterize, manipulate, and assemble them, create an entirely new paradigm for

developing new and revolutionary energy technologies.”

Page 23: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

Status of FY 2014 Appropriations (DOE)

Page 24: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

History of BES Request vs. Appropriation

24

Page 25: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

Office of Science Programs FY 2010 Appropriation

Advanced Scientific Computing Research (ASCR)

Basic Energy Sciences (BES)

Biological and Environmental Research (BER)

Fusion Energy Sciences (FES)

High Energy Physics (HEP)

Nuclear Physics (NP)

Workforce Development for Teachers and Scientists (WDTS)

Science Lab Infrastructure (SLI) ASCR, $394,000K

BES, $1,636,500K

BER, $604,182K

FES, $426,000K

HEP, $810,483K

NP, $535,000K

WDTS, $20,678K

SLI, $127,600K

S&S, $83,000K

SCPD, $189,377K

FY 2010 Funding Total = $4,903,710K

ASCR

BES

BER FES

HEP

NP

BESAC November 5, 2009

Page 26: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

National Synchrotron Light Source

Advanced Photon Source

Stanford Synchrotron Radiation Laboratory

Advanced Light Source

High-Flux Isotope Reactor

Intense Pulsed Neutron Source

Manuel Lujan Jr. Neutron Scattering Center

The Basic Energy Sciences Major Scientific User Facilities

Combustion Research Facility 26 26

Page 27: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

Spallation Neutron Source (SNS) Oak Ridge National Laboratory

27

Page 28: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

  Combustion Studies   Catalysts   Fuel Cells   Batteries   Solar Energy Utilization   etc.

How Synchrotron Radiation (X-rays) can help to Solve Energy Problems

Page 29: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

Ultrafast Imaging of Fuel and Biofuel Sprays Towards More Efficient and Cleaner Combustion Engines

•  Use of ultrafast x-ray imaging, to elucidate this complex multiphase fluid dynamics problem at a fundamental level.

•  The x-ray images of the sprays have revealed, for the first time, the instantaneous spray structure and dynamics of optically dense sprays with a combined unprecedented spatial and temporal resolution.

•  The spray morphology and dynamics will play an important role, well beyond the combustion research, in the emerging fields of microfluidics and nanofluidics.

Fuente: Yujie Wang et al, “Ultrafast X-ray study of dense-liquid-jet flow dynamics using structure-tracking velocimetry,” Nature Phys. 4, 305 (2008). X. Liu, et al., Appl. Phys. Lett. 94, 084101 (2009).

The liquid breakup of a high-density stream from a fuel injector as imaged with ultrafast synchrotron x-ray full-field phase contrast imaging at the APS.

Page 30: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

X-ray studies show:

  Dealloyed Cu3Pt nanoparticle catalyst forms core-shell structure with Pt rich shell

  The Pt shell is compressively strained & this results in higher catalytic activity

  Dynamics of dealloying and stability studied in-situ with X-rays

  Cu3Pt catalysts are nearly as stable as pure Pt

PEMFCs   Pt catalyst in cathode is

inefficient & expensive.

  Dealloyed Cu3Pt nanoparticle catalysts are more active & use less Pt

Pt

Cu

Pt-Cu Catalysts for Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells (PEMFC)

R.Yang et al., J. of Physical Chemistry C, 115, 9074 (2011)

Page 31: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

Underground Storage of Solid CO2

Image courtesy of Lawrence Berkeley National Laboratory

X-ray computer tomography (CT) image showing solid carbonate

(calcite, green) grown in a network of glass beads (blue).

Nanoscale features of natural rock surfaces accelerate the nucleation

and growth of carbonate minerals, the thermodynamically favored form of carbon dioxide (CO2) in geologic formations. This research used

advanced experiments and computational modeling to probe

these nanoscale features and discover how they control the growth and distribution of solid carbonates.

DePaolo Center for Nanoscale Control of Geologic CO2

(NCGC) EFRC Lawrence Berkeley National Laboratory

Page 32: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

Nanoscience and energy technologies

Page 33: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

Page 34: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

Center for Nanophase Materials Sciences

(Oak Ridge National Laboratory)

Center for Nanoscale Materials (Argonne National Laboratory)

Molecular Foundry (Lawrence Berkeley National

Laboratory)

Center for Integrated Nanotechnologies (Sandia & Los Alamos National Labs)

Nuevos centros de materiales/nanotecnologia

Page 35: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

Five grand Challenges for Basic Energy Sciences. Department of Energy

1. How do we Control Materials Processes at the Level of Electrons?

2. How do we Design and Perfect Atom- and Energy-Efficient Syntheses of Revolutionary New Forms of Matter with Tailored Properties?

3. How do Remarkable Properties of Matter Emerge from the Complex Correlations of Atomic or Electronic Constituents and How Can We Control These Properties?

4. How can we Master Energy and Information on the Nanoscale to Create New Technologies with Capabilities Rivaling Those of Living Things?

5. How do we Characterize and Control Matter Away—Especially Very Far Away—from Equilibrium?

Page 36: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

•  Fuels from Sunlight (Joint Center for Artificial Photosynthesis) •  Energy Efficient Building Systems Design •  Modeling and Simulation for Nuclear Fuel Cycles and Systems •  Batteries and Energy Storage •  Critical Materials

DOE Energy Innovation Hubs

Each Hub will comprise a world-class, multi-disciplinary, and highly collaborative research and development team.

Strong scientific leadership must be located at the primary location of the Hub. Each hub must have a clear organization and management plan that “infuses” a culture of empowered central research management throughout the Hub.

Page 37: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

Fundamental research JCESR’s core task is basic research—using a new generation of nanoscience tools that enable us to observe, characterize, and control matter down to the atomic and molecular scales. This enhanced ability to understand materials and chemical processes at a fundamental level will enable us to reinvent electrical storage and achieve major improvements in battery performance at reduced cost. Our industrial partners will help guide our efforts to ensure that research leads toward practical solutions that are competitive in the marketplace.

Energy Innovation Hub: Batteries and Energy Storage (Joint Center for Energy Storage Research: JCESR)

Page 38: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

Scanning electron micrograph of a new solid electrolyte material (lithium thiophosphate)

showing its surface morphology and the nanoscale porosity which are responsible for its high ionic conductivity; Inset shows its crystal

structure.

The Science Introduction of nanoscale porosity in a bulk electrolyte material (lithium thiophosphate)

was found to promote surface conduction of lithium ions, thereby enhancing the ionic

conductivity in the nanostructured material by three orders of magnitude over the normal

bulk phase. The Impact

The high ionic conductivities in these new, nanoporous electrolytes coupled with sulfur-rich, nanostructured cathode materials have led to the development of a new type of solid-state, rechargeable lithium-sulfur battery that

is potentially safer and more reliable than today’s commercial Li ion batteries.

New Materials for High-Energy, Long-Life Rechargeable Batteries Using sulfur-rich, highly ionic compounds as cathodes and electrolytes enables solid-

state lithium-sulfur rechargeable batteries.

Z. Liu, W. Fu, E. Andrew Payzant, X. Yu, Z. Wu, N. J. Dudney, J. Kiggans, K. Hong, A. J. Rondinone, and C. Liang, “Anomalous High Ionic Conductivity of Nanoporous b-Li3PS4”, J.

Am. Chem. Soc., 135, 975, (2013).

Page 39: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

Nano-Composite Designs for Energy Storage

Nano-porous metal oxide coatings on carbon fiber dramatically enhance the electrical storage capacity for supercapacitors.

Researchers have discovered that controlling the

nanostructured architecture of metal oxides coated on carbon fibers can lead to an unusually high capacity to store electrical

charge in a special type of supercapacitor known as a

pseudocapacitor.

Scanning electron microscopy of conductive carbon fibers coated with metal oxide nanowires (left) and close-ups of the cobalt oxide (Co3O4) nanowires (top right) and the nanowire surface

(bottom right). These materials are being developed to improve the storage capacity of a

type of supercapacitor known as a

psuedocapacitor.

Page 40: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

Algunos ejemplos de investigación básica relacionada con la energía

Page 41: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

• Secciones eficaces de neutrones

• Separación de isótopos

• Físico-química de elementos pesados

• Daño por Radiación

Energía Nuclear

Page 42: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

Evolución de conceptos de Reactores

Page 43: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

Nuevos Reactores Nucleares:

•  Reprocesan el combustible: reutilizan el Plutonio producido

•  Funcionan a temperaturas muy altas: mejor rendimiento termodinámico. Neutrones rápidos, se refrigeran por He.

•  Elementos “fértiles”, no fisionables, como el Torio se pueden convertir en fisionable como el U233

Page 44: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

Necesidad de Medir Secciones Eficaces Secciones eficaces de captura (línea sólida) y fisión (línea de puntos) para

el isótopo 238U. Las secciones eficaces están en barn y las energías de los neutrones en eV.

Fuente. Darwin & Charpak en “Megawatts and Megatons”

Fisión

Captura

Page 45: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

Secciones eficaces de captura (línea sólida) y fisión (línea de puntos) para el isótopo 235U. Las secciones eficaces están en barn y las energías de los

neutrones en eV.

Fuente: Darwin & Charpak en “Megawatts and Megatons”

Fisión

Captura

Page 46: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

REPROCESADO DEL COMBUSTIBLE IRRADIADO El proceso PUREX actual

(separación de U y Pu)

•  Disolución del UO2 en ácido nítrico •  Separación del U+Pu con TBP ( tri-butil-fosfato) •  Separación del U por reducción del Pu •  Transformación del U y del Pu en óxidos para nuevo uso •  Almacenamiento del resto de los residuos ( incluyen los productos de fisión y los actínidos menores ( Am Np y Cm)

Probablemente el mayor cuello de botella para el desarrollo de los nuevos reactores nucleares

Necesidad de Nuevos métodos de Separación

Page 47: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

Daño por Radiación

Esencial para:

• Almacenamiento del Combustible Nuclear

• Protección Radiológica

Page 48: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

Quantification of actinide a-radiation damage in minerals and ceramics Nature 445, 190-193 (2007)

Ian Farnan, Herman Cho & William J. Weber

There are large amounts of heavy a-emitters in nuclear waste and nuclear materials inventories stored in various sites around the world. These include plutonium and minor actinides such as americium and curium. In preparation for geological disposal there is consensus that actinides that have been separated from spent nuclear fuel should be immobilized within mineral-based ceramics rather than glass because of their superior aqueous durability and lower risk of accidental criticality. However, in the long term, the a-decay taking place in these ceramics will severely disrupt their crystalline structure and reduce their durability. A fundamental property in predicting cumulative radiation damage is the number of atoms permanently displaced per a-decay. At present, this number is estimated to be 1,000–2,000 atoms/ in zircon. Here we report nuclear magnetic resonance, spin-counting experiments that measure close to 5,000 atoms/ in radiation-damaged natural zircons. New radiological nuclear magnetic resonance measurements on highly radioactive, 239Pu zircon show damage similar to that caused by 238U and 232Th in mineral zircons at the same dose.

“On the basis of these measurements, the initially crystalline structure of a 10 weight per cent 239Pu zircon would be amorphous after only 1,400 years in a geological repository (desired immobilization timescales are of the order of 250,000 years)”. These measurements establish a basis for assessing the long-term structural durability of actinide-containing ceramics in terms of an atomistic understanding of the fundamental damage event.

Page 49: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

Radiation Damage

α-decay process

Recoil ~ 100 keV

α-particle

~ 5 MeV

It causes: • Amorphisation • Swelling • Cracks • Leaching

Zircon: model study: old natural samples

Page 50: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

zircon

Page 51: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

Page 52: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

•  Supercell of insulator’s bulk •  Periodic boundary conditions •  Density functional theory •  Add external charge (potential)

•  Move it and follow electron wave-functions with Time-Dependent DFT

Page 53: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

Stopping power vs velocity

Threshold effect yes,

but still too low values

Proton/antiproton right

Page 54: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

Potential impact on ANES

Summary of research direction Scientific challenges

• Overcome limitations in current experimental/theoretical approaches to determining/describing actinide material properties

• Fundamental understanding of thermal properties of complex microstructure/composition materials

• New approach to modeling phase stability/compatibility in complex, multicomponent actinide systems

• Develop new quantum chemical/molecular dynamic approaches that can accommodate the additional complexity of 5f elements

• Utilize/develop non-conventional experimental techniques to measure and model thermal properties of complex behavior actinide materials

• Develop innovative defect models for multi-component actinide fuel/fission product systems

• Scientific basis for nuclear fuel design • Optimizing fuel development and testing • Reducing uncertainty in operational/safety margins

Mystery of 5f-electron elements New paradigm for 5f-electron research

Beyond cook and look

Advanced actinide fuels: Develop a fundamental understanding of actinide-bearing materials properties

Fuente: DOE. Advanced Nuclear Energy Systems

Page 55: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

The Development of New Density Functional Theory and Computational Approaches for Strongly Correlated f-Electron Ststems and Actinide Materials

Investigating the Nature of Extreme Condition Actinide Chemistry

Actinide Chemistry in Oxidative Alkaline Solutions: Synergistic Molecular Chemistry for Advanced SNF Reprocessing

A First-principles Theory of the Energetics and Materials Properties of Actinides: The 5f-electron Challenge

Actinide Binding to Dendritic Nanoscale Ligands: Fundamental Investigations and Applications to Nuclear Separations

Probing f-electron interactions in actinide metal-ligand and metal-metal bonding

f-Electron Physics in α-Uranium, New Tools for an Historic Challenge

Materials for highly specific extraction of Cs and Sr from aqueous nuclear waste solutions

Modeling Spectroscopy and Photochemistry of Actinide Systems in Solution An Experimental and Computational Study of Actinide and Fission Product Separation and Sequestration by Engineered Mesoporous Materials The link between actinide chemistry and core-level spectroscopies

An Ab Initio Full Potential Fully Relativistic Electronic Structure Study of Actinide Nitrides as Nuclear Fuels

Algunos Proyectos financiados por el DOE

Page 56: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

Energía Fotovoltaica

Shockley-Queisser límite para la eficiencia para el Si: 32%

Gap 1.1 eV, gap inidrecto, perdidas por calor etc.

Page 57: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

Conversion Efficiencies vs. time (NREL)

Page 58: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

Mercado de células fotovoltaicas

Fuente: P. Frankl, NEEDS, 2007

Page 59: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

Células fotoeléctricas tandem

Usadas en el Espacio

Page 60: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

Otra manera de aumentar la eficiencia: Introducción de una banda intermedia:

Page 61: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

Page 62: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

Page 63: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

Nuevas ideas para células Fotovoltaicas

Basadas en colorantes y nanoparticulas

Basadas en “pozos cuánticos”

… y moléculas orgánicas

Page 64: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

HIDRÓGENO COMO VECTOR ENERGÉTICO

Page 65: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

  There exists an enormous gap between present state-of-the-art capabilities and requirements that will allow hydrogen to be competitive with today’s energy technologies:

  Production: 9M tons to 40M tons (vehicles)   Storage: 4.4 MJ/L (10K psi gas) to 9.72 MJ/L   Fuel cells: $3,000/kW to $35/kW (gasoline engine)

  Major R&D efforts will be required:   Simple improvements of today’s technologies will

not meet requirements   Technical barriers can be overcome only with high

risk/high payoff basic research

  Research is highly interdisciplinary, requiring chemistry, materials science, physics, biology, engineering, nanoscience, computational science.

  Basic and applied research should couple seamlessly.

DOE Basic Research Needs for the Hydrogen Economy

Workshop: May 13-15, 2003 Report: Summer 2003

Page 66: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

How to produce H2? (The Joint Center for Artificial Photosynthesis: JCAP)

“Net primary energy balance of a solar-driven photoelectrochemical water-splitting device”

Pei Zhai et al. Energy Environ. Sci., 2013,6, 2380-2389

“A fundamental requirement for a renewable energy generation technology is that it should produce more energy during its lifetime than is required to manufacture it. In this study we evaluate the primary energy requirements of a prospective renewable energy technology, solar-driven photoelectrochemical (PEC) production of hydrogen from water. Using a life cycle assessment (LCA) methodology, we evaluate the primary energy requirements for upstream raw material preparation and fabrication under a range of assumptions of processes and materials. As the technology is at a very early stage of research and development, the analysis has considerable uncertainties”.

Page 67: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

How to produce H2? (The Joint Center for Artificial Photosynthesis: JCAP)

Molecular and Nanoscale Interfaces Project Research in the Molecular and Nanoscale Interfaces Project is directed towards the development of strategies and tools for linking individual components into fully functioning, nanoscale artificial photosynthetic assemblies. A major obstacle towards the development of a viable artificial photosynthetic systems for water splitting to hydrogen and oxygen, or the conversion of carbon dioxide and water to liquid fuel, involves the inefficient charge transport between light absorbers and catalysts and, in particular, between the sites of water oxidation and fuel-generating half-reactions. To address these challenges, the Molecular and Nanoscale Interfaces Project aims to couple light absorbers, catalysts, and half-reactions for optimal control of the rate, yield, and energetics of electron and proton flow at the nanoscale, so that complete macroscale artificial photosynthetic systems can achieve maximum conversion of solar photon energy into the chemical energy of a fuel.

Page 68: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

Hydrogen storage at metal-organic materials

Page 69: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

Hydrogen storage at metal-organic materials

Only H2 2% uptake: not enough to be usefull!

Page 70: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

Eficiencia energética

Ejemplos de nuevas tecnologías:

• Diodos de Estado Sólido para la iluminación

• Superconductividad

Page 71: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

Eficiencia Energética: La iluminación basada en diodos de Estado Sólido es potencialmente 10 y 2 veces más eficiente que las lámparas incandescentes y fluorescentes, respectivamente.

La Iluminación convencional es muy ineficiente

Page 72: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

El Problema es conseguir luz blanca

Tuning the color of

semiconducting nanocrystal

quantum dots

Fuente: C.B. Murray et al., J. Am. Chem. Soc. 115, 8706 (1993)

Page 73: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

Conclusiones del estudio del Deparment of Energy (DOE)

•  Aumentar la eficiencia en un factor 10

•  Las tecnologías antiguas tienen limites esenciales

•  La extrapolación de las tecnologías actuales no cubrirán los objetivos

•  Se necesitan “breakthroughs” para aumentar significativamente las eficiencias

Page 74: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

Zero resistance Below Tc (-270 ºC) the

resistance drops (rapidly) to zero.

Flux expulsion Below Tc magnetic flux is

expelled from the sample. This give rise to phenomenon of magnetic

levitation.

Use of Superconducting Materials

Page 75: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

Page 76: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

La red eléctrica está bajo estrés, cerca de la saturación

Capacidad en Estados Unidos Crecimiento del 50% para el año 2030

Red urbana: cuello de botella

Fiabilidad “Blackouts”

Eficiencia El 7-10% se pierde en el transporte.

En Estados Unidos, equivalente a 40 centrales de 1GW

Lower Manhattan infrastructure (Courtesy of Con Edison)

Page 77: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

Los Superconductores podrían transformar la red de distribución

Japanese Maglev flies with HTS coils, (courtesy CJR)

Albany N.Y.

Page 78: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

Control of Grain Boundary Currents by Texturing - Key to Second Generation (2G) YBCO Wire

Dimos, Chaudhari + Mannhart, PR 1990

AMSC 2G wire architecture: RABiTSTM process

Texturing within ~50 enables Jc(77 K) ~ 3x106 A/cm2 over 100’s of meters – An amazing success, though it has taken 18 years to get to this point!

Grain boundary critical current vs misorientation angle

Page 79: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

Science Opportunity: Vortex Physics

Pinning vortices – basis for high critical current density.

Much effort on existing materials (e. g. YBCO) during last years.

But much still to do to increase Ic Understanding magnetic pinning.

Vortex: nanoscale quantum

of magnetic flux

Page 80: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

No se conoce el mecanismo responsable de los nuevos superconductores!

Enorme tarea por delante

Nuevos materiales basados en diseño a escala atómica

Page 81: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

“Nuevos” hidrocarburos

Page 82: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

Los hidrocarburos no se acaban, Ejemplo: Clatratos de Metano

Muy abundantes en el fondo del mar

Moléculas de agua Metano

Page 83: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

Like “burning ice”

Page 84: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

They are very abundant in Earth's permafrost and marine sediments. They are also formed in natural gas extraction pipes and have been detected in other planetary bodies like Mars and some Saturn's moons

•  They can be a future hydrocarbons source

•  They are a serious environmental threat due to the potential melting caused by the temperature increase associated to the global warming and the further uncontrolled release of their hydrocarbons

•  Potential use to store hydrogen and sequestration of CO2

Natural Gas Hydrates

Page 85: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

NATURE 426,353 (2003)

Fundamental principles and applications of natural gas hydrates E. Dendy Sloan Jr.

Center for Hydrate Research, Colorado School of Mines, Golden, Colorado

Page 86: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

Enormes reservas

Page 87: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

Preguntas:

Cómo se forman?

Cuantos hidrocarburos caben?

Son estables sin el hidrocarburo?

Se puede sustituir el Metano por CO2?

Sirven para almacenar H2?

Diagrama de fases P-T?

Page 88: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

Reproducen la estructura de los clatratos y predicen cuantas moléculas de metano y CO2 se pueden alojar en las cavidades (no más de 2 por cavidad).

La sustitución de metano por CO2 es dudosa

No sabemos como se forman. No son estables sin metano

Cálculos de Primeros Principios

Difusión molecular

Page 89: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

Nanoscience and energy technologies

Page 90: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

Conclusiones:

Como para toda tecnología, la investigación básica es indispensable para el desarrollo de la tecnología energética

La investigación básica sirve para generar conocimiento sobre materiales y sistemas aunque puedan parecer solo

marginalmente relacionados con los problemas actuales de las tecnologías energéticas

La investigación básica servirá al desarrollo tecnológico si se aprovecha en un entorno adecuado

Page 91: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

MUCHAS GRACIAS!

Page 92: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

Page 93: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

Phase Diagram

Page 94: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

Reliability: Superconductors Enable “Resistive” Fault Current Limiters

•  Superconductors -“smart” materials, switch to resistive state above critical current

•  Increased resistance limits current flow •  Many FCLs demonstrated;

commercialization beginning

Siemens/AMSC 2 MVA FCL

Need a solution, or must drastically reconfigure and break up the grid Fault current limiters a major opportunity for grid stabilization

w/o FCL w/FCL

Page 95: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

Funcionamiento de un Light Emitting Diode

Page 96: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

Iluminación basada en Dispositivos de Estado Sólido

Hitos Tecnológicos:

 Hacia 2025, desarrollar tecnologías avanzadas de iluminación de Estado Sólido con sistemas de un 50% de eficiencia con emisión muy cercana a la luz solar

  Materiales y componentes para diodos emisores de luz con componentes inorgánicas y orgánicas con eficiencia mejorada y bajo coste

  Fabricación de bajo coste

  Cuestión de la degradación y fiabilidad de los productos

  Entender y controlar la ruta radiativa y no radiativa en semiconductores

  Nuevas funcionalidades por medio de nanoestructuras heterogéneas

  Manejo innovador de fotones

  Interacción luz-materia mejorada

  Caracterización, síntesis y ensamblado a escala nanométrica

  Diseño computacional y síntesis de materiales emisores de luz no convencionales con propiedades diseñadas

  Manejar y explotar el desorden en dispositivos orgánicos emisores de luz

  Entender el origen de la degradación en dispositivos orgánicos emisores de luz

  Descubrir nuevos conceptos para el control de las características de la luz emitida

  Integración de materiales nanoestructurados en dispositivos emisores de luz

 Desarrollo de standards para productos nuevos

 Aspectos comerciales

 Asociaciones industriales

 Aspectos legales, de mercado, salud, seguridad…

 Reducción de costes

 Prototipos

Madurez Tecnológica y Diseminación Investigación Aplicada Investigación Básica Investigación Básica Orientada

Fuente: DOE

Page 97: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

DOE Energy Innovation Hubs (like the former Bell Labs.)

Proposed topics for Hubs:

•  Solar Electricity (EERE) •  Fuels from Sunlight (SC) •  Batteries and Energy Storage (SC) •  Carbon Capture and Storage (FE) •  Electrical Grid Systems (OE) •  Energy Efficient Building Systems Design (EERE) •  Extreme Materials for Nuclear Fuel Cycles and Systems (NE) •  Modeling and Simulation for Nuclear Fuel Cycles and Systems (NE)

Each Hub will comprise a world-class, multi-disciplinary and highly collaborative research and development team working largely under one roof. This team will focus on solving critical technology challenges that prevent large scale commercialization and deployment of the energy systems needed to address our Nation’s greenhouse gas emission, energy security and workforce creation goals

97

Page 98: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

Page 99: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

Molecular Dynamics based on force fields

• One simulates the propagation of an energetic particle in a system of atoms interacting via a model potential, by integrating the Newton equations of motion.

•  The energetic particle displaces atoms from their equilibrium positions, which, in turn, displace other atoms, resulting in a “radiation cascade”.

•  At each moment of time, the simulation provides coordinates and velocities of all atoms in the structure, giving the full phase trajectory of damage propagation.

•  At the end of the simulation, the resulting structure contains structural changes due to radiation damage, which can be analyzed in detail.

•  DL_POLY 3 MD package. Several Millions of Atoms.

Page 100: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

“Sumar” y “Partir” fotones

Page 101: La nanociencia y las tecnologías energéticas del futuro

nanoGUNE 30 enero 2014

Otra vez los electrones f